ANSYS在動(dòng)力頭升降U型架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

田國(guó)富，宋 菲，張建平，何國(guó)軍，王 歡，楊大成

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

0 引言

數(shù)控機(jī)床以自動(dòng)化程度高、柔性好、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代制造業(yè)特別是復(fù)雜零件加工中得到了廣泛應(yīng)用，與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床對(duì)機(jī)械部分剛度、抗震性以及熱變形等機(jī)械性能要求更高。因此在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中，對(duì)數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零部件以及整機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析是一項(xiàng)非常重要的工作。

動(dòng)力頭U型架是大型螺旋錐齒輪數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，由于動(dòng)力頭在工作過(guò)程中旋轉(zhuǎn)不同角度對(duì)U型架的負(fù)載也不相同，故需要利用ANSYS軟件對(duì)該動(dòng)力頭U型架進(jìn)行靜力分析，并通過(guò)結(jié)果分析其結(jié)構(gòu)是否合理。

1 大型螺旋錐齒輪整機(jī)結(jié)構(gòu)

大型螺旋錐齒輪數(shù)控機(jī)床分為兩大部分：工作頭部分和工作臺(tái)部分。這兩部分呈T字型分布，工作頭部分由動(dòng)力頭、U型架、X向橫梁、Z向移動(dòng)體、Z軸立柱、Y向床身組成；工作臺(tái)由X向床身、工作臺(tái)、搖臺(tái)三部分組成。動(dòng)力頭由刀盤、電主軸、X軸擺動(dòng)裝置和Y′軸擺動(dòng)裝置構(gòu)成。該機(jī)床有7個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)七軸五聯(lián)動(dòng)或者七軸六聯(lián)動(dòng)，可以很好地滿足螺旋錐齒輪這類復(fù)雜曲面零件的加工要求。大型螺旋錐齒輪數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1 。

2 U型架的約束和載荷確定

2.1 U型架在整機(jī)模型中的受力分析

通過(guò)對(duì)大型螺旋錐齒輪數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程的分析可知，U型架在Z軸立柱的導(dǎo)軌上移動(dòng)，從而使動(dòng)力頭完成對(duì)螺旋錐齒輪的切削。在加工過(guò)程中，U型架不僅受到切削力產(chǎn)生的扭矩作用，而且受到動(dòng)力頭重力產(chǎn)生的扭矩和等效重力作用，故需要對(duì)U型架進(jìn)行靜力分析，以確定其變形是否在合理的范圍內(nèi)。

2.2 U型架約束位置的確定

在工作過(guò)程中，U型架的外部載荷主要由動(dòng)力頭部分提供，而U型架與Z軸立柱只存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故需要對(duì)U型架與Z軸立柱的接觸部分進(jìn)行約束。

圖1 大型螺旋錐齒輪數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.3 U型架載荷的確定

（1）考慮到U型架受到切削力載荷而產(chǎn)生變形后的可靠性，故應(yīng)按切削力最大時(shí)考慮，其計(jì)算方法選用成形法。螺旋錐齒輪的齒形切削截面如圖2 所示。

圖2 齒形切削截面圖

為了方便計(jì)算，切削截面可以分為3個(gè)部分：截面1寬度為a，長(zhǎng)度為l1；截面2寬度為b＝asin20°，長(zhǎng)度

截面1的切削力為：

其中：Kr為徑向切削力系數(shù)；Kt為切向切削力系數(shù)；Kv為動(dòng)載系數(shù)。

截面2的切削力為：

故切削力矩為：為

其中：D為刀盤直徑，m。

（2）U型架不僅受到切削力載荷，而且還受到動(dòng)力頭的重力載荷。通過(guò)對(duì)動(dòng)力頭進(jìn)行三維建模，并設(shè)定各個(gè)零部件的材料屬性，利用SolidWorks軟件的評(píng)估功能模塊計(jì)算動(dòng)力頭的質(zhì)量和重心位置，則等效重力載荷為：

其中：m為動(dòng)力頭質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m／s2。重力矩載荷為：

其中：l為動(dòng)力頭的重心到Y(jié)′軸線的距離，m；θ為動(dòng)力頭與Z軸立柱的夾角，（°）。

3 動(dòng)力頭升降U型架的有限元分析過(guò)程

首先利用SolidWorks三維軟件建立數(shù)控機(jī)床各個(gè)關(guān)鍵部件的實(shí)體模型，并虛擬裝配成整機(jī)。其中動(dòng)力頭部分的升降U型架、中間U型架、回轉(zhuǎn)部件、Z向滑動(dòng)體等部件是該數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，其剛度都會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)床的加工精度產(chǎn)生非常重要的影響。本文針對(duì)U型架部分進(jìn)行了ANSYS分析，具體過(guò)程如下。

3.1 前處理階段

前處理階段包括創(chuàng)建實(shí)體模型、定義單元屬性、劃分網(wǎng)格和模型修正等。為了便于分析，首先需要對(duì)利用SolidWorks建立的實(shí)體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去掉不必要的小孔和倒角，得到簡(jiǎn)化的模型后，將.SLDPRT文件轉(zhuǎn)化為 .x＿t格 式后再導(dǎo)入 ANSYS。選擇 Brick 8node 45實(shí)體單元，按照6級(jí)精度進(jìn)行網(wǎng)格劃分，材料為鑄鐵，彈性模量E＝1.3×1011Pa，泊松比μ＝0.27。網(wǎng)格劃分后的動(dòng)力頭升降U型架如圖3 所示。

3.2 求解階段

求解模塊是對(duì)生成的有限元模型進(jìn)行力學(xué)分析和有限元求解。在求解前需定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和加載步驟。ANSYS的載荷可以分為6大類：位移約束、力、表面分布載荷、體積載荷、慣性載荷和耦合場(chǎng)載荷。載荷可以直接施加到實(shí)體模型的關(guān)鍵點(diǎn)、線和面上，也可以施加到有限元分析模型的單元和節(jié)點(diǎn)上。U型架通過(guò)導(dǎo)軌在Z軸立柱豎直方向上下滑動(dòng)，將U型架與Z軸立柱的接觸部分設(shè)置為全約束。加載后的動(dòng)力頭升降U型架如圖4 所示。

通過(guò)分析可知，U型架所受的載荷包括：U型架的自身重力GU型架、作用在U型架軸承孔上的動(dòng)力頭的重力G動(dòng)力頭、動(dòng)力頭的重力對(duì)U型架軸承孔產(chǎn)生的重力矩Mg、切削力矩Mq。由于切削力矩軸線與全局坐標(biāo)系軸線不重合，故需要將切削力矩Mq分解為Y和Z方向的分力矩Mqy和Mqz。當(dāng)動(dòng)力頭軸線與Z軸立柱的夾角θ為15°，30°，45°，60°，75°時(shí)，U 型架所受的載荷見表1。

圖3 網(wǎng)格劃分后的動(dòng)力頭升降U型架

圖4 加載后的動(dòng)力頭 升降U型架

3.3 后處理階段

ANSYS的后處理過(guò)程包括兩部分：通用后處理模塊和時(shí)間后處理模塊。通過(guò)用戶界面可以得到位移、應(yīng)力、應(yīng)變速度等計(jì)算結(jié)果，輸出形式有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。本文加載后的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值見表2，圖5 、圖6 分別為刀盤主軸與U型架豎直方向呈45°時(shí)的應(yīng)變圖和應(yīng)力圖。

表1 切削力矩載荷和動(dòng)力頭重力在U型架上的分力隨θ變化值

表2 加載后的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值

4 結(jié)論

本文利用ANSYS對(duì)數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵部件U型架進(jìn)行了靜力分析，通過(guò)動(dòng)力頭擺動(dòng)不同角度時(shí)U型架的靜力分析結(jié)果可以看出其應(yīng)力和應(yīng)變均在允許范圍內(nèi)，故該U型架的剛度和強(qiáng)度滿足要求，結(jié)構(gòu)比較合理，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但是該U型架的結(jié)構(gòu)能否滿足機(jī)床設(shè)計(jì)的最終要求，需要進(jìn)一步對(duì)U型架做瞬態(tài)響應(yīng)分析和疲勞分析。

圖5 動(dòng)力頭升降U型架應(yīng)變圖

圖6 動(dòng)力頭升降U型架應(yīng)力圖

［1］顏云輝，謝里陽(yáng)，陳清凱.結(jié)構(gòu)分析中的有限單元法及其應(yīng)用［M］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2000.

［2］史亞杰.ANSYS工程分析軟件應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［3］王勖成，邵敏.有限單元法基本原理及應(yīng)用［M］.第2版.北京：水利電力出版社，1999.